GCr15軸承鋼精煉渣與鋼液組分間平衡熱力學研究

付國強 曾亞南 李俊國 唐國章

(華北理工大學 冶金與能源學院，河北唐山 063009)

GCr15軸承鋼精煉渣與鋼液組分間平衡熱力學研究

付國強 曾亞南 李俊國 唐國章

(華北理工大學 冶金與能源學院，河北唐山 063009)

通過FactSage熱力學軟件計算，研究了GCr15軸承鋼LF精煉過程中鋼- 渣平衡時不同組分精煉渣對鋼液中鈣、鎂、鋁、氧含量的影響。結果表明，在計算范圍內，鋼液中鈣、鎂、鋁、氧的質量分數分別為1.385×10- 4%～5.029×10- 4%、3.014×10- 4%～7.778×10- 4%、0.018 8%～0.039 6%、3.235×10- 4%～4.671×10- 4%。精煉渣堿度變化對鋼液中鈣、鎂、鋁、氧含量影響最大；渣中氧化鋁含量變化對鋼液中鈣、鎂、鋁、氧含量影響次之；堿度相對低時渣中氧化鎂含量變化對鋼液中鈣、鎂、鋁、氧含量影響較為明顯，堿度高時影響較不明顯；雖然鋼中平衡氧含量隨著渣中w(FeO)增加的增加幅度不大，但會導致鋼中元素被大量氧化。

軸承鋼 精煉渣 鋼- 渣平衡 組分 熱力學

經過100多年的研發，軸承鋼生產的相關技術已達到成熟水平，和世界先進水平相比，我國在專業生產方面仍存在較多問題[1]。為最大限度降低鋼中非金屬夾雜物，冶金工作者對其進行了大量研究[2]。于春梅等[3]計算了鋼中鋁含量、爐渣和堿度、真空和耐火材料對鋼中w([Ca])、w([Mg])、w([O])的影響；關學軍等[4]和于平等[5]研究了不同精煉渣系對軸承鋼中氧和夾雜物的影響。研究表明，在軸承鋼鋼液的二次精煉過程中，精煉渣成分變化對鋼液中微量元素含量、氧含量及夾雜物的生成與控制有很大影響。因此，有必要研究精煉渣成分變化對鋼液潔凈度的影響，由控制精煉渣成分來調節鋼中各元素含量，為LF精煉提供熱力學基礎[6- 8]。本文借助FactSage熱力學軟件中的Equilib模塊模擬1 560 ℃時的渣- 鋼間反應，得到不同熔渣堿度，w(MgO)、w(Al2O3)、w(FeO)對鋼液中鈣、鎂、鋁、氧含量的影響，建立鋼液- 熔渣平衡時鋼液中元素含量與精煉渣各組分之間的平衡關系，從而為控制精煉過程中鋼液潔凈度、夾雜物的生成和轉化提供參考依據。

1 計算方法

以軸承鋼LF精煉過程的實際生產工藝為基礎，將精煉渣堿度，w(MgO)、w(Al2O3)、w(FeO)分別控制在3～8、5%～9%、20%～32%、0%～1.5%范圍內，并利用FactSage熱力學軟件模擬精煉渣組分變化對鋼液元素含量的影響，步長分別為1、0.25%、0.5%和0.1%。模擬過程采用控制變量法分別研究精煉渣中各組分含量變化對鋼液中形成D類夾雜物主要元素含量的影響。在研究某一因素的影響時，其他各因素均取參考值(各參考值分別為：w(Al2O3)=26%、w(MgO)=

7%及w(FeO)=0.05%)。結合阮小江、王博、趙丙新等研究結果[9- 11]，同時考慮精煉過程中存在精煉渣損耗，將鋼- 渣質量分數比設定為10∶1，即設定鋼液質量為100 g，精煉渣質量為10 g。所選數據庫為FToxid和FSstel，溫度設定為1 560 ℃，并假定鋼液中[Ca]、[Mg]、[Al]、[O]各元素均以單質的形態存在?；鶞实腉Cr15軸承鋼鋼液及精煉渣的化學成分分別見表1和表2。

表1 GCr15軸承鋼鋼液的化學成分(質量分數)Table 1 Chemical composition of the molten GCr15 bearing steel (mass fraction) %

表2 精煉渣成分Table 2 Chemical compositions of the refining slag

注：R=w(CaO)/w(SiO2)

2 計算結果與討論

2.1 精煉渣組分變化對鋼液w([Ca])的影響

軸承鋼精煉渣堿度，w(MgO)、w(Al2O3)、w(FeO)變化對鋼液中w([Ca])的影響如圖1所示。

圖1 精煉渣組分變化對鋼液w([Ca])的影響Fig.1 Effect of refining slag composition on the w ([Ca]) content in molten steel

圖1(a)為精煉渣中w(MgO)對鋼液w([Ca])的影響。由圖1(a)可知，在R≤5時，鋼液中w([Ca])隨渣中w(MgO)的增加先增加后降低。堿度較低且精煉渣中w(MgO)較低時，渣中aCaO也相對較低，隨著w(MgO)的增加，渣中aCaO也隨之增加，鋼液中w([Ca])隨著w(MgO)增加而增加；當w(MgO)較高時，精煉渣中生成CaO和MgO的共熔體，其含量隨w(MgO)的增加而增加[12]，導致渣中aCaO下降，鋼液中w([Ca])隨之降低。R≥6時，鋼液中w([Ca])隨w(MgO)的增加而降低，但變化不大。圖1(b)為渣中w(Al2O3)變化對鋼液w([Ca])的影響。由圖可知，R=3，隨著精煉渣中w(Al2O3)增加，w([Ca])逐漸降低。R>3時，w(Al2O3)較低的情況下，鋼中w([Ca])隨w(Al2O3)的增加略有下降，但變化不大；隨著w(Al2O3)進一步增加，w([Ca])迅速降低，原因在于w(Al2O3)的增加降低了渣中CaO的活度。堿度高而w(Al2O3)較低時，熔渣中固相物含量高，w(Al2O3)增加對aCaO影響不大，故鋼液中w([Ca])降低不明顯。隨著w

(Al2O3)的增加，熔渣中液相量增加，待渣中固溶體幾乎完全轉化為液相時，w(Al2O3)的增加使aCaO降低明顯，鋼液中w([Ca])下降明顯。圖1(c)為w(FeO)對鋼液w([Ca])的影響。由圖可知，R=3或4時，鋼液中w([Ca])隨w((FeO)的增加而降低，原因在于當精煉渣堿度較低時，隨著渣中w(FeO)的增加，鋼中w([O])增加，增加的氧與鈣反應導致鋼中w([Ca])降低。R=5且w(FeO)較低時，鋼液中w([O])相對較低而渣中w(CaO)相對較高，鋼液中氧對鈣的氧化能力較弱；當w(FeO)≥0.85%時，鋼液w([O])增加對鈣的氧化能力也增大，鋼液中w([Ca])隨著渣中w(FeO)的增加而較快降低。R≥6時，隨著w(FeO)的增加，鋼液w([O])增加，而硅、鋁等元素被氧化，aCaO升高，鋼中w([Ca])略微增加，但變化不明顯。

2.2 精煉渣組分變化對鋼液w([Mg])的影響

精煉過程中精煉渣組分變化將影響鋼液中w([Mg])的變化。圖2為精煉渣組分(MgO)、(Al2O3)、(FeO)與[Mg]之間的平衡關系。

圖2 精煉渣組分變化對鋼液w([Mg])的影響Fig.2 Effect of refining slag composition on the w ([Mg]) content in molten steel

由圖2(a)可知，當R=3、4時，隨著w(MgO)的增加，aMgO增加，鋼中w([Mg])也隨之增加；當w(MgO)較高時，精煉渣黏度增加，鋼中w([Mg])降低。R=5且w(MgO)>8%時，隨著w(MgO)的增加，渣中固相物含量大幅度升高，w([Mg])降低。當R>5時，隨著w(MgO)的增加，精煉渣中生成CaO和MgO的共熔體含量增加，渣中aMgO增幅較小，從而導致鋼中w([Mg])隨w(MgO)增加的增幅很小。圖2(b)為w(Al2O3)對w([Mg])的影響。由圖可知，R=3時，w([Mg])隨w(Al2O3)的增加而降低。R=4～8時，隨著w(Al2O3)的增加，渣中aMgO提高，故w([Mg])增加。當渣中w(Al2O3)進一步增加，渣中aMgO隨w(Al2O3)的增加而降低，鋼中w([Mg])也隨之下降。堿度越高稀釋精煉渣所需的Al2O3越多，因而鋼中w([Mg])由增加轉為降低所需Al2O3越多。圖2(c)為渣中FeO對鋼液w([Mg])的影響。相同堿度下，隨精煉渣中w(FeO)的增加，鋼液中增加的[O]與[Mg]反應生成(MgO)被精煉渣吸收致使w([Mg])降低。當R>5時，精煉渣中固相物增加、黏度增加，aMgO隨堿度增加的增幅變小，鋼液中w([Mg])增幅也變小。

2.3 精煉渣組分變化對鋼液w([Al])的影響

圖3給出了不同精煉渣組分w(MgO)、w(Al2O3)、w(FeO)變化對鋼中w([Al])的影響。

堿度R在3～5范圍內，隨著w(MgO)的增加，渣中Al2O3活度也隨之增加，w([Al])亦隨之增加。若w(MgO)繼續增加，熔渣黏度增大，鋼中w([Al])隨之下降，故w([Al])隨著w(MgO)的增加先增加后降低，如圖3(a)所示。當R≥6時，w(MgO)增加促使渣中Al2O3活度增大，鋼中w([Al])隨之上升，但變化不明顯。圖3(b)為渣中w(Al2O3)對鋼液w([Al])的影響。由圖可知，R=3時，w([Al])隨精煉渣中w(Al2O3)的增加而降低。堿度在4～8范圍時，w([Al])隨精煉渣中w(Al2O3)的增加先增加后降低。渣中w(Al2O3)低時，隨著渣中w(Al2O3)的增加，Al2O3活度增大，鋼中w([Al])隨之增加；隨著w(Al2O3)繼續增加，鋼液中鋁活度也增加，導致渣中SiO2被鋼液中的[Al]還原，鋼中w([Al])隨之下降。堿度越高，到達其轉折點所需w(Al2O3)也越高。圖3(c)為渣中w(FeO)對鋼液w([Al])的影響。堿度相同，隨著渣中w(FeO)的增加，鋼液中w([O])增加，增加的氧與鋼液中鋁反應生成Al2O3被精煉渣吸收，導致鋼液中w([Al])隨渣中w(FeO)增加而降低；隨著堿度增加，精煉渣中固相物增加、黏度增加，吸收Al2O3能力變差，故同一w(FeO)的鋼液中w([Al])隨堿度增加的增幅變小。

2.4 精煉渣組分變化對鋼液w([O])的影響

鋼中的氧是影響鋼液質量的關鍵元素，精煉渣組分變化對鋼中w([O])的影響如圖4所示。

圖3 精煉渣組分變化對鋼液w([Al])的影響Fig.3 Effect of refining slag composition on the w ([Al]) content in molten steel

圖4(a)為渣中w(MgO)對鋼液w([O])的影響。由圖可知，在R=3、4時，w([O])隨渣中w(MgO)的增加先大幅增加后小幅降低。當R=5時，鋼液中w([O])隨w(MgO)的增加而降低，w(MgO)≥8%時下降加快。當R>5時，鋼液中w([O])隨w(MgO)的增加而略降。出現上述規律的原因在于，當精煉渣堿度較低時，隨著w(MgO)的增加，MgO活度增加，鋼中w([O])也隨之增加。當精煉渣堿度高時，隨w(MgO)的增加,鋼液中的鈣、鎂與氧反應消耗鋼中的氧，導致R≥5時鋼液中w([O])隨w(MgO)的增加而降低。圖4(b)為w(Al2O3)對鋼液w([O])的影響。R=3時，w([O])隨w(Al2O3)的增加呈下降趨勢。R>3時，隨著w(Al2O3)的增加，導致鋼中鈣、鎂等易氧化元素含量降低，這些元素消耗鋼中的氧生成氧化物被精煉渣吸收，所以鋼中w([O])隨w(Al2O3)的增加而下降。堿度越高，到達其轉折點所需w(Al2O3)越多。圖4(c)為渣中w(FeO)對鋼液w([O])的影響。由圖4(c)可知，R=3、4時，w([O])隨渣中w(FeO)的增加而增加，但增加的氧很快與鋼中的易氧化元素反應并被精煉渣吸收，鋼中w([O])隨渣中w(FeO)的增加而略微降低。R=5時，w([O])隨渣中w(FeO)的增加先緩慢增加后快速降低，當R=6～8時，精煉渣黏度增加，吸收氧化物能力降低，鋼中w([O])隨渣中w(FeO)的增加而略微增加。

3 結論

(1)精煉渣組分變化范圍內，鋼液中鈣質量分數為1.385×10- 4%≤[%Ca]≤5.029×10- 4%，鎂質量分數為3.014×10- 4%≤[%Mg]≤7.778×10- 4%，鋁質量分數為0.018 8%≤[%Al]≤0.039 6%，氧質量分數為3.235×10- 4%≤[%O]≤4.671×10- 4%。

(2)精煉渣堿度變化對鋼液影響較大，堿度較低時，渣中w(MgO)變化對鋼液w([Ca])、w([Mg])、w([O])影響較為明顯，堿度較高時，鋼液各元素含量變化不明顯。

(3)相同堿度時，w(Al2O3)變化對鋼中各元素的影響最大。w([O])隨w(FeO)增加的增加幅度不大，但會導致鋼中易氧化元素被大量氧化。

[1] 虞明全. 軸承鋼鋼種系列的發展狀況[J].上海金屬, 2008, 30(3):49- 54.

[2] 劉興國, 吳曉東, 王忠英, 等. 軸承鋼應用SiAlBa合金脫氧及去夾雜物的研究[J]. 上海金屬, 2007, 29(2):29- 33.

[3] 于春梅，楊亮，李世健，等.軸承鋼精煉過程中微量元素含量的熱力學計算模型[C]//2014年全國冶金物理化學學術會議論文集.包頭：中國金屬學會，2014.

[4] 關軍學, 高世安. 精煉渣系對軸承鋼中氧和夾雜物的影響[J].一重技術, 2007(3):41- 42.

[5] 于平, 陳偉慶, 馮軍, 等. 高堿度渣精煉的軸承鋼中夾雜物研究[J]. 鋼鐵, 2004, 39(7):20- 23.

[6] 彭波, 劉麗麗, 溫瀚. 軸承鋼用精煉渣冶金性能分析[J]. 山東冶金, 2013, 35(2):38- 40.

[7] 段宏韜, 王勇, 王立峰, 等. LF精煉過程中爐渣成分對鋼水[Ca]含量的影響[J]. 鋼鐵, 2009, 44(9):33- 35,85.

[8] 楊接明, 王春瓊, 李長榮, 等. LF 精煉爐渣成分對H13鋼中夾雜物的影響[J]. 特鋼技術, 2010, 16(65):26- 28, 62.

[9] 阮小江, 姜周華, 龔偉, 等. 精煉渣對軸承鋼中氧含量和夾雜物的影響[J]. 特殊鋼, 2008, 29(5):1- 3.

[10]王博, 姜周華, 姜茂發. 鎂鋁合金處理GCr15軸承鋼夾雜物的變質[J]. 中國有色金屬學報, 2006, 16(10):1736- 1742.

[11] 趙丙新. GCr15軸承鋼LF精煉脫硫渣系研究[D].包頭：內蒙古科技大學，2012.

[12] 唐國章,李俊國,曾亞南,等. GCr15軸承鋼精煉渣冷卻過程礦相析出熱力學分析和應用[J].特殊鋼,2015, 36(6):5- 9.

收修改稿日期：2016- 08- 18

ThermodynamicsofEquilibriumbetweenRefiningSlagandLiquidSteelComponentofGCr15BearingSteel

Fu Guoqiang Zeng Yanan Li Junguo Tang Guozhang

(School of Metallurgy and Energy, North China University of Science and Technology, Tangshan Hebei 063009, China)

The effect of the composition of LF refining slag on the Ca, Mg, Al and O contents of GCr15 bearing steel at equilibrium of slag and molten steel was studied by the thermodynamic calculation with software FactSage. The results showed that in the scope of calculation, the contents of Ca, Mg, Al and O in molten steel were in the range of 1.385×10- 4% to 5.029×10- 4%,3.014×10- 4% to 7.778×10- 4%,0.018 8% to 0.039 6%,3.235×10- 4% to 4.671×10- 4%, respectively. The change of basicity of the refining slag had the greatest influence on the Ca, Mg, Al and O contents in molten steel and the Al2O3content of slag was in the second place. The influence of MgO content of slag on the Ca, Mg, Al and O contents in molten steel was relatively obvious when the alkalinity was low, while was not significant when the alkalinity was high. The oxygen in molten steel would result in the oxidation of elements in molten steel, but didn’t increase largely with the increase of the FeO content of slag.

bearing steel，refining slag，equilibrium of slag and molten steel，component，thermodynamics

曾亞南，男，博士，從事煉鋼新工藝及鑄坯質量控制研究，電話：18330553546，Email:zengyanann@126.com

河北省自然科學基金(No.E2016209343)、河北省科技計劃自籌項目(No.16211035)

付國強，男，主要從事煉鋼新技術研究，電話：18232567827，Email:fgq137110@126.com